O presente trabalho teve como objetivo verificar as possibilidades de desenvolvimento de membranas poliméricas a partir de redes de polímeros interpenetrantes (IPNs) compostas de poliuretano obtido a partir do óleo de mamona e de copolímero de poli(estireno-co-divinilbenzeno). Filmes de IPNs foram funcionalizados através da sulfonação, utilizando sulfato de acetila como reagente, a fim de se produzirem membranas íon-seletivas do tipo catiônicas. Os materiais poliméricos produzidos, sulfonados ou não, foram estudados através de um conjunto de métodos termoanalíticos (TGA, DSC, DMA), microscopia eletrônica de varredura e avaliados quanto à resistência química e mecânica. As IPNs sulfonadas foram avaliadas quanto seu comportamento de absorção de água e quanto à capacidade de troca iônica. Os resultados mostraram que a concentração dos componentes das IPNs afeta suas propriedades e que as condições de sulfonação afetam as características das membranas produzidas.

Neste trabalho foram preparadas membranas de poli(indeno) sulfonado (PIndS) com poli(álcool vinílico) (PVA), na forma de rede de polímeros semi-interpenetrantes (semi-IPN), para uso em células a combustível como eletrólito polimérico (PEMFC). Para tal, foram sintetizados polímeros hidrocarbônicos a base de indeno, estireno, limoneno e 5-etilideno-2-norborneno, via mecanismo catiônico, utilizando AlCl3 como catalisador visando à obtenção de um polímero precursor para uso como polímero eletrólito na preparação das membranas. O poli(indeno), (PInd) de maior massa molar foi sulfonado com ácido clorosulfônico com produção de PIndS com grau de sulfonação de 20%, 50% e 100%, que apresentam maior ou menor solubilidade em função do grau de sulfonação. PIndS com grau de sulfonação igual 100% é totalmente solúvel em água. As membranas tipo semi-IPN foram preparadas variando-se o grau de sulfonação do PIndS, o tipo e quantidade do agente de reticulação e a temperatura de cura, ou tratamento térmico destas. Os polímeros e membranas eletrólitos foram caracterizados por RMN de C13 e H1, FTIR, DSC e TGA. As membranas semi-IPNs PIndS/PVA foram avaliadas quanto à absorção de água, capacidade de troca iônica, condutividade, permeabilidade ao etanol, e comportamento viscoelástico por DMA. Foram obtidas membranas com o grau de inchamento inferior a 50%. A condutividade de algumas membranas, nas condições de ensaio avaliadas, foi a mesma ordem de grandeza daquela observada para a membrana comercial Nafion, na faixa de 4,19 x 10-2 S cm-1 a 5,78 x 10-2 S cm-1. Apesar de não terem sido avaliadas em protótipo de célula a combustível, as membranas obtidas demonstraram ter potencial de aplicação como eletrólito polimérico. / In this work were prepared semi-interpenetrating polymer (semi-IPN) membranes from polyindene sulfonate (PIndS) and poly(vinyl alcohol) (PVA) to use in fuel cells as a polymer electrolyte. Hydrocarbon polymers based on indene, styrene, limonene and 5-ethylidene-2-norbornene, were synthesized, via cationic mechanism using AlCl3 as catalyst, in order to obtain a polymer for use as a polymer electrolyte. Polyindene (PInd) of high molecular weight was sulfonated with chlorosulphonic acid to produce PIndS with degree of sulfonation (DS) of 20%, 50% and 100%. The PIndS solubility was dependent on the degree of sulfonation, and PIndS with DS of 100% was completely soluble in water. The semi-IPN membranes were prepared by varying the DS and amount of PIndS, the type and amount of crosslinking agent and PVA curing temperature. The electrolyte polymer and membranes were characterized by C13 and H1 NMR, FTIR, DSC and TGA. The semi-IPNs PIndS/PVA membranes were evaluated by their water absorption, ion exchange capacity, conductivity, ethanol permeability, and viscoelastic behavior by DMA. The membranes water uptake was lower than 50%. The conductivity of some membranes, under the test conditions, was the same order of magnitude than Nafion membrane in the range of 4,19 x 10-3 S cm-1 to 5,78 x 10-3 S cm-1. Despite not being evaluated in a fuel cell prototype, the membranes developed showed have potential application as polymer electrolyte.

Células a combustível de etanol direto (DEFC) são promissoras para a produção de energia elétrica a partir de uma fonte renovável e limpa. Neste tipo de célula o etanol sofre oxidação anódica direta produzindo prótons H3O+ liberando elétrons para o circuito externo com redução catódica do O2. Muitos desafios precisam ser superados para tornar esta tecnologia amplamente utilizável, como encontrar um eletrólito bom condutor de prótons, impermeável ao etanol e termicamente estável. Membranas de compósitos de poli (álcool vinílico) (PVA) com zeólita tipo NaA, previamente impregnada com o líquido iônico (IL) tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4), foram preparadas por casting a partir de soluções aquosas em proporções de 75:25 ou 60:40 em massa de PVA com zeólita NaA (PVA:Z/IL), e a zeólita foi previamente impregnada com 10, 20, 30 ou 50 %, em massa do IL BMI.BF4. As amostras de zeólita NaA impregnadas com BMI.BF4 foram caracterizadas por difração de raio-X (DRX) e por análise termogravimétrica (TGA). As membranas produzidas foram caracterizadas por espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), permeabilidade ao etanol e testadas em uma célula a combustível de etanol direto (DEFC). As membranas dos compósitos de PVA:Z/IL em proporção 60:40 apresentaram melhor estabilidade dimensional e térmica que o PVA reticulado, oferecendo temperaturas de decomposição mais elevadas e permeabilidade ao etanol não detectável. O IL BMI.BF4 foi o agente promotor da condutividade protônica, sendo que a membrana de compósito 60:40-PVA:Z20 apresentou o maior valor (10,3 mS.cm-1). O conjunto de membrana-eletrodo (MEA) alcançou densidade de potência máxima de 20 mW.cm-2 na DEFC. / Ethanol direct fuel cells (DEFC) are promising for producing electricity from a clean and renewable energy sources. In this cell type, ethanol suffers direct anodic oxidation causing production of protons H3O+ and release of electrons for the external circuit with cathodic reduction of O2. Many challenges must be overcome to turn this technology into a widely used device, such as finding a good proton-conducing electrolyte, resistant to ethanol permeation and with thermal stability. Composite membranes of poly (vinyl alcohol) (PVA) with type-NaA zeolite previously impregnated with ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMI.BF4) were prepared by casting. The membranes were prepared from aqueous solutions in proportions of 75:25 or 60:40 by weight of PVA with type-NaA zeolite (PVA:Z/IL), and the zeolite was previously impregnated with 10, 20, 30 or 50 % by weight IL BMI.BF4. Composite membranes of poly (vinyl alcohol) (PVA) with zeolite NaA type previously impregnated with ionic liquid (IL) tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium (BMI.BF4) were prepared by casting from aqueous solutions at ratios of 75:25 or 60:40 by weight of zeolite NaA PVA (PVA: Z / IL), and zeolite was previously impregnated with 10, 20, 30 or 50% by weight LI BMI.BF4. Samples of NaA zeolite impregnated with BMI.BF4 were characterized by X-ray diffraction (DRX) and thermogravimetric analysis (TGA). The membranes produced were characterized by infrared absorption spectroscopy (FTIR), thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), permeability ethanol and tested in a direct ethanol fuel cell (DEFC). The composite membranes with 60:40 ratio of PVA:Z/IL improved thermal and dimensional stability compared to crosslinked PVA, offering higher decomposition temperatures and untraceable ethanol permeability. The IL BMI.BF4 was the proton conductivity promoter and the composite membrane 60:40-PVA:Z20 showed the highest value (10.3 mS.cm-1). The membrane-electrode assembly (MEA) achieved a maximum power density of 20 mW.cm-2 in the DEFC.

Neste trabalho, membranas poliméricas de poli(éter éter cetona) sulfonado (SPEEK), contendo derivados do benzoimidazol e ácido fosfotúngstico (HPW) foram desenvolvidas e avaliadas para uso em células a combustíveis que utilizam membrana polimérica (PEMFC). O poli(éter éter cetona) (PEEK) foi sulfonado com ácido sulfúrico, produzindo a funcionalização da cadeia polimérica principal através da inserção de grupos ácido sulfônico, que são os responsáveis pela condutividade de prótons em água. Derivados do benzoimidazol sintetizados a partir de glicóis e dibrometos de alquila foram utilizados na composição das membranas com o objetivo de melhorar a condutividade de prótons em baixas condições de umidade. HPW foi adicionado na composição das membranas, a fim de aumentar a condutividade de prótons. As membranas foram avaliadas considerando estabilidade térmica, propriedades mecânicas, absorção de água e etanol, e condutividade de prótons em água. Os resultados mostraram que as propriedades e o desempenho dependem da composição da membrana. Alto grau de sulfonação do SPEEK aumenta a condutividade de prótons e também aumenta a absorção de água e etanol. Derivados do benzoimidazol promovem a redução da absorção de água e etanol, mas também reduzem a condutividade de prótons em água. A adição de HPW na composição de membrana aumenta sua condutividade de prótons e reduz a estabilidade térmica da cadeia polimérica principal. / In this work, membranes based on sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) containing benzimidazole derivatives and phosphotungstic acid (HPW) were developed and evaluated for potential use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). PEEK was sulfonated with sulfuric acid to promote functionalization in the polymer backbone by insertion of sulfonic acid goups, that are responsile for the proton conduction in water media. Benzimidazole derivatives synthesized from glycols and n-alcane dibromides were used in the membrane composition in order to improve the protonic conduction in low umidity conditions. HPW was also introduced in the membrane composition, with the aim of increase the proton conductivity. The membranes were evaluated concerning the thermal stability, mechanical properties, water and ethanol swelling and proton conductivity in water. Results shown that properties and performance depends on membrane’s composition. Higher sulfonation degree on SPEEK matrix increase the proton conductivity and also increase the water and ethanol swelling. Benzimidazole derivatives promotes reduction in the water/ethanol swelling, but also reduces the proton conductivity in water at high umidity. Adiction of HPW in the membrane composition promotes higher proton conductivity in umidified conditions and reduces the thermal stability of the polymer backbone.

Neste trabalho foram preparadas membranas de poli(indeno) sulfonado (PIndS) com poli(álcool vinílico) (PVA), na forma de rede de polímeros semi-interpenetrantes (semi-IPN), para uso em células a combustível como eletrólito polimérico (PEMFC). Para tal, foram sintetizados polímeros hidrocarbônicos a base de indeno, estireno, limoneno e 5-etilideno-2-norborneno, via mecanismo catiônico, utilizando AlCl3 como catalisador visando à obtenção de um polímero precursor para uso como polímero eletrólito na preparação das membranas. O poli(indeno), (PInd) de maior massa molar foi sulfonado com ácido clorosulfônico com produção de PIndS com grau de sulfonação de 20%, 50% e 100%, que apresentam maior ou menor solubilidade em função do grau de sulfonação. PIndS com grau de sulfonação igual 100% é totalmente solúvel em água. As membranas tipo semi-IPN foram preparadas variando-se o grau de sulfonação do PIndS, o tipo e quantidade do agente de reticulação e a temperatura de cura, ou tratamento térmico destas. Os polímeros e membranas eletrólitos foram caracterizados por RMN de C13 e H1, FTIR, DSC e TGA. As membranas semi-IPNs PIndS/PVA foram avaliadas quanto à absorção de água, capacidade de troca iônica, condutividade, permeabilidade ao etanol, e comportamento viscoelástico por DMA. Foram obtidas membranas com o grau de inchamento inferior a 50%. A condutividade de algumas membranas, nas condições de ensaio avaliadas, foi a mesma ordem de grandeza daquela observada para a membrana comercial Nafion, na faixa de 4,19 x 10-2 S cm-1 a 5,78 x 10-2 S cm-1. Apesar de não terem sido avaliadas em protótipo de célula a combustível, as membranas obtidas demonstraram ter potencial de aplicação como eletrólito polimérico. / In this work were prepared semi-interpenetrating polymer (semi-IPN) membranes from polyindene sulfonate (PIndS) and poly(vinyl alcohol) (PVA) to use in fuel cells as a polymer electrolyte. Hydrocarbon polymers based on indene, styrene, limonene and 5-ethylidene-2-norbornene, were synthesized, via cationic mechanism using AlCl3 as catalyst, in order to obtain a polymer for use as a polymer electrolyte. Polyindene (PInd) of high molecular weight was sulfonated with chlorosulphonic acid to produce PIndS with degree of sulfonation (DS) of 20%, 50% and 100%. The PIndS solubility was dependent on the degree of sulfonation, and PIndS with DS of 100% was completely soluble in water. The semi-IPN membranes were prepared by varying the DS and amount of PIndS, the type and amount of crosslinking agent and PVA curing temperature. The electrolyte polymer and membranes were characterized by C13 and H1 NMR, FTIR, DSC and TGA. The semi-IPNs PIndS/PVA membranes were evaluated by their water absorption, ion exchange capacity, conductivity, ethanol permeability, and viscoelastic behavior by DMA. The membranes water uptake was lower than 50%. The conductivity of some membranes, under the test conditions, was the same order of magnitude than Nafion membrane in the range of 4,19 x 10-3 S cm-1 to 5,78 x 10-3 S cm-1. Despite not being evaluated in a fuel cell prototype, the membranes developed showed have potential application as polymer electrolyte.

Células a combustível de etanol direto (DEFC) são promissoras para a produção de energia elétrica a partir de uma fonte renovável e limpa. Neste tipo de célula o etanol sofre oxidação anódica direta produzindo prótons H3O+ liberando elétrons para o circuito externo com redução catódica do O2. Muitos desafios precisam ser superados para tornar esta tecnologia amplamente utilizável, como encontrar um eletrólito bom condutor de prótons, impermeável ao etanol e termicamente estável. Membranas de compósitos de poli (álcool vinílico) (PVA) com zeólita tipo NaA, previamente impregnada com o líquido iônico (IL) tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4), foram preparadas por casting a partir de soluções aquosas em proporções de 75:25 ou 60:40 em massa de PVA com zeólita NaA (PVA:Z/IL), e a zeólita foi previamente impregnada com 10, 20, 30 ou 50 %, em massa do IL BMI.BF4. As amostras de zeólita NaA impregnadas com BMI.BF4 foram caracterizadas por difração de raio-X (DRX) e por análise termogravimétrica (TGA). As membranas produzidas foram caracterizadas por espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), permeabilidade ao etanol e testadas em uma célula a combustível de etanol direto (DEFC). As membranas dos compósitos de PVA:Z/IL em proporção 60:40 apresentaram melhor estabilidade dimensional e térmica que o PVA reticulado, oferecendo temperaturas de decomposição mais elevadas e permeabilidade ao etanol não detectável. O IL BMI.BF4 foi o agente promotor da condutividade protônica, sendo que a membrana de compósito 60:40-PVA:Z20 apresentou o maior valor (10,3 mS.cm-1). O conjunto de membrana-eletrodo (MEA) alcançou densidade de potência máxima de 20 mW.cm-2 na DEFC. / Ethanol direct fuel cells (DEFC) are promising for producing electricity from a clean and renewable energy sources. In this cell type, ethanol suffers direct anodic oxidation causing production of protons H3O+ and release of electrons for the external circuit with cathodic reduction of O2. Many challenges must be overcome to turn this technology into a widely used device, such as finding a good proton-conducing electrolyte, resistant to ethanol permeation and with thermal stability. Composite membranes of poly (vinyl alcohol) (PVA) with type-NaA zeolite previously impregnated with ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMI.BF4) were prepared by casting. The membranes were prepared from aqueous solutions in proportions of 75:25 or 60:40 by weight of PVA with type-NaA zeolite (PVA:Z/IL), and the zeolite was previously impregnated with 10, 20, 30 or 50 % by weight IL BMI.BF4. Composite membranes of poly (vinyl alcohol) (PVA) with zeolite NaA type previously impregnated with ionic liquid (IL) tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium (BMI.BF4) were prepared by casting from aqueous solutions at ratios of 75:25 or 60:40 by weight of zeolite NaA PVA (PVA: Z / IL), and zeolite was previously impregnated with 10, 20, 30 or 50% by weight LI BMI.BF4. Samples of NaA zeolite impregnated with BMI.BF4 were characterized by X-ray diffraction (DRX) and thermogravimetric analysis (TGA). The membranes produced were characterized by infrared absorption spectroscopy (FTIR), thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), permeability ethanol and tested in a direct ethanol fuel cell (DEFC). The composite membranes with 60:40 ratio of PVA:Z/IL improved thermal and dimensional stability compared to crosslinked PVA, offering higher decomposition temperatures and untraceable ethanol permeability. The IL BMI.BF4 was the proton conductivity promoter and the composite membrane 60:40-PVA:Z20 showed the highest value (10.3 mS.cm-1). The membrane-electrode assembly (MEA) achieved a maximum power density of 20 mW.cm-2 in the DEFC.

O presente trabalho teve como objetivo verificar as possibilidades de desenvolvimento de membranas poliméricas a partir de redes de polímeros interpenetrantes (IPNs) compostas de poliuretano obtido a partir do óleo de mamona e de copolímero de poli(estireno-co-divinilbenzeno). Filmes de IPNs foram funcionalizados através da sulfonação, utilizando sulfato de acetila como reagente, a fim de se produzirem membranas íon-seletivas do tipo catiônicas. Os materiais poliméricos produzidos, sulfonados ou não, foram estudados através de um conjunto de métodos termoanalíticos (TGA, DSC, DMA), microscopia eletrônica de varredura e avaliados quanto à resistência química e mecânica. As IPNs sulfonadas foram avaliadas quanto seu comportamento de absorção de água e quanto à capacidade de troca iônica. Os resultados mostraram que a concentração dos componentes das IPNs afeta suas propriedades e que as condições de sulfonação afetam as características das membranas produzidas.

Submitted by Marcele Costal de Castro (costalcastro@gmail.com) on 2017-09-06T14:41:57Z No. of bitstreams: 1 EDNA TERESA RUAS BASTOS M.pdf: 3769677 bytes, checksum: daecee079f3bc3c87f7374c4ed2ee90a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-06T14:41:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EDNA TERESA RUAS BASTOS M.pdf: 3769677 bytes, checksum: daecee079f3bc3c87f7374c4ed2ee90a (MD5) Previous issue date: 2006 / As membranas de nanofiltração (NF) tem despertado atualmente grande interesse para fins de aplicação em tratamento de águas, indústria química fina e também na recuperação de moléculas com alto valor agregado, porque possibilitam a separação de íons multivalentes que estejam dissolvidos na água, bem como compostos orgânicos com massa molar relativamente baixa, na faixa de 200 a 1000 Da. As membranas de NF são constituídas de duas camadas, um suporte polimérico microporoso e uma camada densa e fina que é responsável pela seletividade da membrana. Normalmente, membranas compostas são obtidas em pelo menos duas etapas: preparação do suporte poroso com posterior deposição da pele. Porém, no presente trabalho, as membranas foram preparadas em uma etapa utilizando espalhamento consecutivo de duas soluções poliméricas, utilizando a técnica de inversão de fase por imersão/precipitação. Para formação do suporte foi utilizado como polímero base PES ou PSU e para a formação da "pele" foi utilizada polisulfona previamente sulfonada. As reações de sulfonação foram conduzidas em condições moderadas para minimizar a degradação da cadeia polimérica principal, utilizando como agente sulfonante o (CH3)3SiSO3CI. Os produtos sulfonados foram caracterizados por análise titulométrica, viscosidade, análise térmica, e ressonância magnética nuclear. Para a síntese das membranas compostas foram desenvolvidos estudos da influência de algumas variáveis de síntese, tais como composição da solução do suporte, da pele e do banho de precipitação. As membranas foram caracterizadas quanto a sua morfologia, através de microscopia eletrônica de varredura e quanto as suas propriedades de transporte, tais como permeabilidade hidráulica, fluxo permeado e seletividade. A seletividade das membranas foi avaliada através de testes de permeação de soluções de sulfato e cloreto de amônio ambas na concentração de 100 mgL-1. Os resultados obtidos mostraram que é possível a preparação de membranas compostas pelo espalhamento consecutivo de duas soluções poliméricas, com aderência entre as duas camadas. Com relação aos testes de permeação, as membranas desenvolvidas apresentaram valores de fluxo permeado (2 - 29 L/m2.h) e permeabilidade hidráulica (0,56 – 8,00 L/m2.h.atm) dentro da faixa das membranas comerciais de NF. Os valores de rejeição aos íons amônio (77%) ainda podem ser otimizados pela variação das condições de preparação das membranas compostas / The use of nanofiltration membranes (NF) in water treatment in chemical industries and also on the recovery of high valuable molecules, are of great interest because they make possible the separation of multivalent ions wich are solved in water, as well as organic componds of low molar weight (200 –1000 Da). The NF membranes are constituted of two layers, a micro-porous - base polymer and a dense and fine layer wich is responsible for the selectivity of the membrane . Usually, composite membranes are obtained in at least two stages: initially the preparation of the porous support and afterwards the deposition of the skin. However, in the present method, the membranes were prepared in the step, using consecutive spread of two polymeric solutions, using the technique of phase inversion by immersion/ precipitation. The support was created using a polymer base poliethersulfone or polysulfone and the skin was made from polysulfone previously sulfonated. The sulfonation reactions were driven under moderate conditions to minimize the degradation of the main polymeric chain using trimetylsilylchlrosulfone as .the sulfonation agent. The sulfonated products were characterized by titulometric analysis, viscosity, thermal analysis and nuclear magnetic resonance. Studies of the influence of some synthesis variables were developed for the synthesis of the composite membrane, such as the composition of the support solution, of the skin and of the precipitation bath. The membranes were characterized by their morfology, through a scanning electron microscope and by their transport properties, such as the hydraulic permeability, the permeation flow and the selectivity. The membrane selectivity was evaluated through tests of permeation of ammonium sulfate and chloride solutions both in the concentration of 100mgL-1. The final results showed that it is possible to prepare composite membranes by the consecutive spread of two polymerics solutions, with adherence between the two layers. Regarding the permeation tests, the developed membranes presented values of permeated flow of 2-29 L/m2h and hydraulic permeability of 0,56 – 8,00 L/m2h.atm within the range of commercial NF membranes. The ammonium ions rejection values of 77% can still be optimized by changing the preparation conditions of the composite membranes.

O progresso da sociedade está sendo marcado pelo aumento do consumo de energia. Energia esta proveniente, em grande parte, dos combustíveis fósseis. A fim de minimizar os efeitos causados pelo consumo exagerado, o desenvolvimento de tecnologias limpas, utilizando fontes renováveis, tem tomado espaço nas sociedades. Entre estas novas tecnologias destacam-se as células a combustível que podem ser consideradas alternativas limpas e eficientes para a obtenção de energia, pois estes sistemas emitem reduzidas quantidades de gases de efeito estufa ou utilizam combustíveis provenientes de fontes renováveis. As células a combustível podem ser utilizadas em sistemas portáteis, como telefones celulares, computadores, e sistemas estacionários, tais como casas, hospitais ou escolas. Estes dispositivos podem utilizar diferentes tipos de combustíveis, como o gás hidrogênio ou álcoois. No entanto, esses dispositivos, para se tornarem economicamente viáveis e produzir energia em grande escala, ainda necessitam de melhorias. Assim, as pesquisas estão fortemente ligadas ao desenvolvimento de novos materiais com propriedades específicas para serem usados em células de combustível. A célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons (PEMFC) utiliza como eletrólito em seu sistema uma membrana polimérica, por exemplo a Nafion da Dupont. A Nafion tem sido utilizada por sua excelente estabilidade química, mecânica e térmica e elevada condutividade protônica. Entretanto, a Nafion oferece elevada permeabilidade ao etanol, causando consumo elevado deste combustível e diminuição no rendimento da célula A fim de melhorar a resistência à permeabilidade ao etanol, polímeros alternativos têm sido estudados, bem como modificações na Nafion. De acordo com muitos pesquisadores, a adição de cargas inorgânicas hidrofílicas à matriz polimérica, Nafion, pode melhorar o desempenho da célula a combustível. Estudos mostram que cargas inorgânicas como as zeólitas adicionadas à Nafion melhoram sua resistência à permeabilidade, mas podem causar diminuição na sua condutividade protônica. Visando melhorar a condutividade das membranas poliméricas, têm sido realizados estudos sobre a incorporação de líquidos iônicos à matriz polimérica. Este trabalho apresenta um estudo das propriedades de transporte de prótons em membranas Nafion preparadas e modificadas pela adição da zeólita HZSM-5 e do líquido iônico (LI) trifluorometanossulfonato de 1-hexadecil-3-metilimidazólio (C16MI.CF3SO3) e que utiliza hidrogênio ou etanol como combustível em uma célula. As membranas de compósitos produzidas com 3 %, em massa, de zeólita HZSM-5 e diferentes quantidades de LI foram testadas em célula de combustível de etanol direto (DEFC) e em célula de combustível de membrana polimérica condutora de prótons (PEMFC), com hidrogênio. Na PEMFC a presença da zeólita HZSM-5 e do LI C16MI.CF3SO3 contribuíram positivamente na obtenção de densidade de corrente máxima e densidade de corrente na potência máxima, alcançando valores de 242 mAcm-2 e 162 mAcm-2, respectivamente. Em DEFC, a presença de zeólita HZSM-5 contribuiu positivamente para a obtenção de valores de densidades de corrente máxima, alcançando valores de 8,5 mAcm-2 mas a presença do LI C16MI.CF3SO3 não parece influenciar. / The society development has being marked by energy consumption increasing and essentially based on fossil fuels. In order to minimize the environment impact, new technologies involving renewable sources are object of researches. Fuel cells are considered a clean and efficient alternative device to produce energy with reduced emissions of greenhouse gases, which makes this technology very attractive nowadays. Fuel cells may be used in portable systems such as mobile phones, computers, and also in stationary systems such as houses, hospitals or schools. These devices may use different fuel types such as hydrogen gas or alcohols. However, fuel cell technology still need improvement to become economically viable and to produce energy at high scale. Thus, researches are strongly linked to develop new materials with specific properties to be used in fuel cells. The commercial proton-exchange Nafion membrane is a fluorinated ionic polymer which shows excellent behavior as electrolyte in fuel cells. However, at temperatures higher than 80 oC, its conductivity decreases, and the membrane presents high permeability to ethanol. To eliminate or diminish these undesirable behaviors the membrane can be modified by addition of compounds. Introduction of zeolite to the Nafion membrane can diminish the permeability of ethanol, and the addition of ionic liquid can improve the conductivity of the polymeric material. The aim of this work is to evaluate the proton transport properties of composite membranes containing Nafion/zeolite HZSM-5/ionic liquid C16MI.CF3SO3. The produced membranes were tested in a direct ethanol fuel cell (DEFC) and in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) In the PEMFC, the presence of zeolite and ionic liquid contributed positively to obtain maximum current density and current density at maximum power. In DEFC the presence of zeolite positively contributed to obtain maximum current densities, but the presence of the ionic liquid does not show improvement of properties of the material.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010